DE102018120109A1 - Vorrichtung zur Bestimmung einer Dichte und/oder einer Viskosität sowie einer Feuchte eines Gasgemisches - Google Patents

Vorrichtung zur Bestimmung einer Dichte und/oder einer Viskosität sowie einer Feuchte eines Gasgemisches Download PDF

Info

Publication number
DE102018120109A1
DE102018120109A1 DE102018120109.5A DE102018120109A DE102018120109A1 DE 102018120109 A1 DE102018120109 A1 DE 102018120109A1 DE 102018120109 A DE102018120109 A DE 102018120109A DE 102018120109 A1 DE102018120109 A1 DE 102018120109A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
resonance frequency
gas mixture
density
evaluation
moisture
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102018120109.5A
Other languages
English (en)
Inventor
Christof Huber
Patrick Reith
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TrueDyne Sensors AG
Original Assignee
TrueDyne Sensors AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TrueDyne Sensors AG filed Critical TrueDyne Sensors AG
Priority to DE102018120109.5A priority Critical patent/DE102018120109A1/de
Priority to PCT/EP2019/071986 priority patent/WO2020035583A1/de
Publication of DE102018120109A1 publication Critical patent/DE102018120109A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N5/00Analysing materials by weighing, e.g. weighing small particles separated from a gas or liquid
    • G01N5/02Analysing materials by weighing, e.g. weighing small particles separated from a gas or liquid by absorbing or adsorbing components of a material and determining change of weight of the adsorbent, e.g. determining moisture content
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N5/00Analysing materials by weighing, e.g. weighing small particles separated from a gas or liquid
    • G01N5/02Analysing materials by weighing, e.g. weighing small particles separated from a gas or liquid by absorbing or adsorbing components of a material and determining change of weight of the adsorbent, e.g. determining moisture content
    • G01N5/025Analysing materials by weighing, e.g. weighing small particles separated from a gas or liquid by absorbing or adsorbing components of a material and determining change of weight of the adsorbent, e.g. determining moisture content for determining moisture content
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N9/00Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity
    • G01N9/002Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity using variation of the resonant frequency of an element vibrating in contact with the material submitted to analysis
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N9/00Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity
    • G01N9/002Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity using variation of the resonant frequency of an element vibrating in contact with the material submitted to analysis
    • G01N2009/004Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity using variation of the resonant frequency of an element vibrating in contact with the material submitted to analysis comparing frequencies of two elements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Drying Of Gases (AREA)

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung einer Dichte und/oder einer Viskosität sowie einer Feuchte eines Gasgemisches (2) aufweisend:
- einen ersten mikromechanisch gefertigten Kragbalken (3), der mit einer ersten Resonanzfrequenz (f1) zum Schwingen angeregt wird,
- einen zweiten mikromechanisch gefertigten Kragbalken (4), der mit einer hygroskopischen Schicht (5) zur Aufnahme von Wassermolekülen beschichtet ist und mit einer zweiten Resonanzfrequenz (f2) zum Schwingen angeregt wird, wobei der erste und zweite Kragbalken dem Gasgemisch ausgesetzt sind und der erste und zweite Kragbalken über die erste Resonanzfrequenz (f1) oder einer darauf basierenden Größe und die zweite Resonanzfrequenz (f2) oder einer darauf basierenden Größe auf das Gasgemisch kalibriert sind,
- eine Auswerte- und/oder Recheneinheit (6), die dazu eingerichtet ist, die Dichte und/oder die Viskosität zu bestimmen, und anhand der ersten Resonanzfrequenz (f1) oder der anhand der ersten Resonanzfrequenz ermittelten Dichte und der zweiten Resonanzfrequenz (f2) oder einer anhand der zweiten Resonanzfrequenz ermittelten Dichte die Feuchte zu bestimmen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Dichte und/oder einer Viskosität sowie einer Feuchte eines Gasgemisches.
  • Ein zu hoher Feuchteanteil eines eigentlich trockenen Gasgemisches (< 5 ppm) kann zur Korrosion von Leitungen und Anlagen führen oder Prozesse, wie beispielsweise einen Schweißprozess, nachteilig beeinträchtigen. Weiterhin kann die Feuchte auch die Messgenauigkeit von Sensoren beeinflussen, welche die Gase hinsichtlich der Zusammensetzung überwachen sollen.
  • Eine zuverlässige Feuchtemessung bei Gasen mit niedriger Feuchte (< 200 ppm) ist gegenwärtig nur mit teurer und/oder aufwendiger Sensorik zu bewerkstelligen, beispielsweise mittels eines Taupunktspiegelhygrometers, bei dem zur Messung des Taupunktes ein temperierbarer Spiegel verwendet wird.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige und kostengünstige Möglichkeit vorzuschlagen, die Feuchte bei Gasen bzw. einem Gasgemisch mit niedriger Feuchte zu bestimmen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung einer Dichte und/oder einer Viskosität sowie einer Feuchte eines Gasgemisches, das sich aus mindesten zwei Komponenten zusammensetzt, umfasst:
    • - einen ersten mikromechanisch gefertigten Kragbalken, der mit einer ersten Resonanzfrequenz zum Schwingen angeregt wird und der dem Gasgemisch ausgesetzt ist,
    • - einen zweiten mikromechanisch gefertigten Kragbalken, der zumindest teilweise mit einer hygroskopischen Schicht zur Aufnahme von Wassermolekülen beschichtet ist und mit einer zweiten Resonanzfrequenz zum Schwingen angeregt wird, wobei der zweite Kragbalken ebenfalls dem Gasgemisch ausgesetzt ist und der erste und zweite Kragbalken über die erste Resonanzfrequenz oder einer darauf basierenden Größe und die zweite Resonanzfrequenz oder einer darauf basierenden Größe auf das Gasgemisch, insbesondere im trockenen Zustand, kalibriert sind,
    • - eine Auswerte- und/oder Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, die Dichte des Gasgemisches im Wesentlichen anhand der ersten Resonanzfrequenz und/oder die Viskosität im Wesentlichen anhand der auf der ersten Resonanzfrequenz basierenden Größe, insbesondere eine Schwingungsgüte, zu bestimmen, wobei die Auswerte- und/oder Recheneinheit ferner dazu eingerichtet ist, anhand der ersten Resonanzfrequenz oder der anhand der ersten Resonanzfrequenz ermittelten Dichte und der zweiten Resonanzfrequenz oder einer anhand der zweiten Resonanzfrequenz ermittelten Dichte die Feuchte zu bestimmen.
  • Erfindungsgemäß werden zwei mikromechanisch gefertigte Kragbalken bzw. Cantilever dazu eingesetzt, die Feuchte eines Gasgemisches zu bestimmen. Kragbalken bzw. Cantilever zur Bestimmung der Dichte und/oder Viskosität sind an sich bekannt. Sie weisen für gewöhnlich einen Vorsprung bzw. ein hervorstehendes Segment auf, welches mit einer Resonanzfrequenz zum Schwingen angeregt wird. Die Anregung kann bspw. durch piezoelektrische, elektromagnetische oder elektrostatische Anregung erfolgen. Die Kragbalken sind mikromechanisch gefertigte Kragbalken, die bevorzugt auf ein und demselben monolithischen Chip bzw. Substrat ausgeführt sind. Der Chip bzw. das Substrat ist derartig in den fluidischen Messkanal eingebracht, dass der erste und zweite Kragbalken dem Gasgemisch ausgesetzt bzw. von diesem umgeben sind.
  • Erfindungsgemäß ist einer der beiden Kragbalken mit einer hygroskopischen Schicht versehen, sodass Feuchtemoleküle adsorbiert werden. Die Adsorption führt zu einer Veränderung der Schwingungseigenschaft des mit einer zweiten Resonanzfrequenz zur Schwingung angeregten beschichteten Kragbalkens, wohingegen die Schwingungseigenschaft des mit einer ersten Resonanzfrequenz zur Schwingung angeregten anderen Kragbalkens im Wesentlichen unverändert bleibt. Diese Eigenschaft wird sich zur Ermittlung der Feuchte des Gasgemisches zu Nutze gemacht, indem die Auswerte- und/oder Recheneinheit neben der Dichte und/oder Viskosität, die im Wesentlichen anhand der ersten Resonanzfrequenz oder einer darauf basierenden Größe bestimmt werden, auch die Feuchte des Gasgemisches bestimmt. Zur Bestimmung der Feuchte verwendet die Auswerte- und/oder Recheneinheit sowohl die erste Resonanzfrequenz oder die anhand der ersten Resonanzfrequenz ermittelten Dichte und die zweite Resonanzfrequenz oder eine anhand der zweiten Resonanzfrequenz ermittelte Dichte.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Auswerte- und/oder Recheneinheit ferner dazu eingerichtet ist, die erste Resonanzfrequenz oder die anhand der ersten Resonanzfrequenz ermittelte Dichte in Relation zu der zweiten Resonanzfrequenz oder die anhand der zweiten Resonanzfrequenz ermittelte Dichte zu setzen, um die Feuchte zu bestimmen.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Auswerte- und/oder Recheneinheit ferner dazu eingerichtet ist, anhand einer relativen zeitlichen Ableitung der zweiten Resonanzfrequenz oder der anhand der zweiten Resonanzfrequenz ermittelten Dichte bezogen auf eine zeitliche Ableitung der ersten Resonanzfrequenz oder der anhand der ersten Resonanzfrequenz ermittelten Dichte die Feuchte zu bestimmen.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Auswerte- und/oder Recheneinheit ferner dazu eingerichtet ist, anhand einer Differenzbildung, in die die erste Resonanzfrequenz oder die anhand der ersten Resonanzfrequenz ermittelte Dichte und die zweite Resonanzfrequenz oder die anhand der zweiten Resonanzfrequenz ermittelten Dichte eingeht, die Feuchte zu bestimmen. Beispielsweise kann die Auswerte- und/oder Recheneinheit die Differenz zwischen der ersten Resonanzfrequenz und der zweiten Resonanzfrequenz oder die Differenz zwischen der anhand der ersten Resonanzfrequenz ermittelten Dichte und der anhand der zweite Resonanzfrequenz ermittelte Dichte als Maß für die Feuchte heranziehen.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die hygroskopische Schicht ein Hydrogel, ein Zeolith oder Silikagel aufweist.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst ferner eine Heizerstruktur, die dazu eingerichtet ist, die hygroskopische Schicht in mindestens einem Ausheizvorgang zu erhitzen, sodass die Wassermoleküle aus der hygroskopischen Schicht entfernt werden. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass die Auswerte- und/oder Recheneinheit ferner dazu eingerichtet ist, nach Durchführung des mindestens einen Ausheizvorgangs einen Sensordrift des zweiten Kragbalkens festzustellen und/oder dass die Auswerte- und/oder Recheneinheit ferner dazu eingerichtet ist, beim Feststellen des Sensordrifts eine Kompensation bzw. einen Abgleich des zweiten Kragbalkens durchzuführen.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst ferner ein Gehäuse mit einem Einlass zum Einführen des Gasgemisches und einem Auslass zum Auslassen des Gasgemisches, wobei der Einlass und der Auslass über zumindest einen fluidischen Messkanal miteinander verbunden sind, und zumindest einer, vorzugsweise beide, der Kragbalken in dem zumindest einen fluidischen Messkanal, vorzugsweise nebeneinander, angeordnet sind.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der erste Kragbalken keine hygroskopische Schicht, insbesondere keine Beschichtung, aufweist.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
    • 1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die neben der Dichte und/oder Viskosität eines Gasgemisches auch die Feuchte bzw. einen Feuchteanteil mittels zweier Kragbalken bzw. Cantilever bestimmt,
    • 2: beispielhaft ein Diagramm, in dem die aus der ersten bzw. zweiten Resonanzfrequenz ermittelten Dichten für die beiden Kragbalken gegenüber der Zeit aufgetragen sind, und exemplarisch eine Änderung der Feuchte des Gasgemisches aufgetragen ist, und
    • 3: einen exemplarischen Verfahrensablauf zum Betreiben zweier Kragbalken zur Bestimmung der Dichte und/oder Viskosität sowie der Feuchte eines über die beiden Kragbalken geführten Gasgemisches.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die neben der Dichte und/oder Viskosität eines Gasgemisches 2 auch die Feuchte bzw. einen Feuchteanteil mittels zweier Kragbalken bzw. Cantilever 3, 4 bestimmt. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 9 mit einem fluidischen Messkanal 12 als integraler Bestandteil. Dem Messkanal 12 kann über einen Einlass 10 das Gasgemisch 2 zugeführt werden, welches durch den Messkanal 12 zu einem Auslass 11 geleitet wird. In 1 exemplarisch durch einen Pfeil angedeutet. Die Vorrichtung 1 umfasste ferner zwei Kragbalken oder auch sogenannte Cantilever 3 und 4, wovon ein erster Kragbalken 3 zur Bestimmung der Dichte und/oder Viskosität des Gasgemisches 2 und ein zweiter Kragbalken 4 in Kombination mit dem ersten Kragbalken 3 zur Bestimmung der Feuchte bzw. eines Feuchteanteils dient.
    Die beiden Kragbalken 3, 4 können, wie ein 1 dargestellt, hintereinander im Messkanal 12 angeordnet sein. Alternativ können die Kragbalken 3, 4 aber auch nebeneinander oder übereinander, d.h. einer im oberen Bereich und der andere im unteren Bereich des Messkanals 12, angeordnet sein.
  • Ferner umfasst die Vorrichtung 1 eine Auswerte- und/oder Recheneinheit 6, die dazu eingerichtet ist, den ersten Kragbalken 3 mit einer ersten Resonanzfrequenz f1 und den zweiten Kragbalken 4 mit einer zweiten Resonanzfrequenz f2 als elektromechanische Resonatoren zu betreiben, sodass sowohl der erste als auch der zweite Kragbalken 3, 4 jeweils ein Schwingkreis im elektrischen Sinne darstellen. Die Auswerte- und/oder Recheneinheit 6 kann bspw. einen Mikroprozessor aufweisen.
  • Erfindungsgemäß weist der zweite Kragbalken 4 eine hygroskopische Schicht 5 bzw. Beschichtung auf, die in der Lage ist, Wassermoleküle zu adsorbieren, sodass sich die Masse der hygroskopischen Schicht 5 aufgrund der angelagerten Wassermoleküle verändert. Die hygroskopische Schicht 5 kann insbesondere ein Hydrogel, ein Zeolith oder ein Silikagel aufweisen. Demgegenüber weist der erste Kragbalken 3 wiederum keine derartige hygroskopische Schicht 5 bzw. Beschichtung auf, sondern ist vorzugsweise unbeschichtet. Durch die Adsorption der Wassermoleküle verändert sich die Masse der hygroskopischen Schicht 5 und somit auch die zweite Resonanzfrequenz f2 des zweiten Kragbalkens 4, wobei sich die erste Resonanzfrequenz f1 des ersten, unbeschichteten Kragbalkens im Wesentlichen nicht ändert.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 kombiniert also die unterschiedlichen Effekte, die an den beiden Kragbalken 3, 4 auftreten, umso einerseits die Dichte und/oder Viskosität des Gasgemisches 2 zu bestimmen und zusätzlich noch die Feuchte.
  • Zur Bestimmung der Dichte des Gasgemisches 2 in einem Messbetrieb S200 ist die Auswerte- und/oder Recheneinheit 6 dazu eingerichtet, die erste Resonanzfrequenz f1 dahingehend auszuwerten, dass anhand dieser die Dichte des Gasgemisches 2 bestimmt wird. Dies kann bspw. derart erfolgen, dass die Auswerte- und/oder Recheneinheit 6 eine zeitliche Veränderung der Resonanzfrequenz f1 aufgrund einer Dichteänderung des Gasgemisches 2 mit Hilfe eines mathematisch-physikalischen Modells in eine entsprechende Dichte umwandelt.
  • Ergänzend oder alternativ kann zur Bestimmung der Viskosität des Gasgemisches 2 in dem Messbetrieb S200 die Auswerte- und/oder Recheneinheit 6 ferner dazu eingerichtet sein, anhand einer auf der ersten Resonanzfrequenz f1 basierenden Größe, bspw. einer Güte des elektrischen Schwingkreises, die Viskosität zu bestimmen. Hierbei wird sich zu Nutze gemacht, dass je höher die Viskosität des Gasgemisches 2 ist, desto höher auch die Bedämpfung des Schwingkreises ist. Die Bedämpfung des Resonators zur Bestimmung der Güte des Schwingkreises kann auf unterschiedliche Weise gemessen werden. So kann die Auswerte- und/oder Recheneinheit 6 bspw. dazu eingerichtet sein, die Leistungszufuhr, die benötigt wird, um den Schwingkreis mit einer konstanten Amplitude schwingen zu lassen, zu ermitteln, umso die Güte zu bestimmen.
  • Die Auswerte- und/oder Recheneinheit 6 ist ferner dazu eingerichtet in dem Messbetrieb, anhand der ersten Resonanzfrequenz f1 oder der durch die erste Resonanzfrequenz f1 ermittelten Dichte in Kombination mit der zweiten Resonanzfrequenz f2 oder einer durch die zweite Resonanzfrequenz f2 ermittelten Dichte die Feuchte zu bestimmen. Die durch die zweite Resonanzfrequenz f2 ermittelte Dichte wird im Wesentlichen gleich ermittelt wie die durch die erste Resonanzfrequenz f1 ermittelte Dichte, d.h. es wird dasselbe mathematisch-physikalische Modell zu Grunde gelegt. Dies bedeutet, dass solange die Feuchte des Gasgemisches unterhalb eines spezifischen Wertes, bspw. kleiner 5 ppm, bleibt, die beiden ermittelten Dichten im Wesentlichen einen gleichen Wert aufweisen. Steigt die Feuchte des Gasgemisches 2 über den spezifischen Wert an, weichen die beiden ermittelten Dichten voneinander ab. Die Auswerte- und/oder Recheneinheit 6 kann somit die beiden Resonanzfrequenzen f1, f2 oder die beiden ermittelten Dichten in Relation zueinander setzen, um die Feuchte zu bestimmen. Im einfachsten Fall, kann dies bspw. derartig erfolgen, dass die Auswerte- und/oder Recheneinheit 6 eine Subtraktion durchführt, bei der die Auswerte- und Recheneinheit 6 die erste Resonanzfrequenz f1 von der zweiten Resonanzfrequenz f2 oder die durch die erste Resonanzfrequenz f1 ermittelte Dichte von der durch die zweite Resonanzfrequenz f2 ermittelten Dichte subtrahiert. Die Differenz kann der Auswerte- und/oder Recheneinheit 6 wiederum als ein Maß für die Feuchte des Gasgemisches 2 dienen. Ferner kann die Auswerte- und/oder Recheneinheit 6 auch dazu eingerichtet sein, die Feuchte anhand der relativen zeitlichen Ableitung der ersten Resonanzfrequenz f1 und der zweiten Resonanzfrequenz f2 zu ermitteln.
  • Für den eigentlichen Messbetrieb S300 der Vorrichtung 1 sind der erste und zweite Kragbalken 3 und 4 in einem Kalibrierschritt S200 kalibriert. Der Kalibrierschritt ist dem eigentlichen Messbetrieb zeitlich vorangestellt und kann bspw. in einer Laborumgebung erfolgen. In dem Kalibrierschritt S200 wird ein trockenes Gasgemisch, welches eine Feuchte kleiner 5 ppm aufweist, über den ersten und zweiten Kragbalken 3, 4 geführt und eine etwaige Differenz der beiden Resonanzfrequenzen bzw. der ermittelten Dichten wird eliminiert, sodass die beiden ermittelten Dichten für das trockene Gasgemisch im Wesentlichen gleich sind. Der Kalibrierschritt S200 wird vorzugsweise durch die Auswerte- und/oder Recheneinheit durchgeführt.
  • In 2 sind beispielhaft die für den ersten und zweiten Kragbalken 3, 4 ermittelt Dichten dargestellt, die zur Bestimmung der Feuchte von der Auswerte- und/oder Recheneinheit 6 voneinander subtrahiert werden können. Aus 2 wird ersichtlich, dass solange es sich bei dem Gasgemisch 2 um ein trockenes Gasgemisch 2 handelt, d.h. dass das Gasgemisch eine Feuchte < 5 ppm aufweist, die für die beiden Kragbalken 3, 4 ermittelte Dichte im Wesentlich gleich ist, sofern diese zuvor auf das trockene Gasgemisch 2 kalibriert worden sind. In dem Moment wo die Feuchte des Gasgemisches einen Wert > 5 ppm annimmt (in 2 ca. ab dem Zeitpunkt t > 4), verändert sich die für den zweiten Kragbalken 4 ermittelte Dichte aufgrund der Adsorption von Wassermolekülen an der hygroskopischen Schicht 5, sodass die Differenz der beiden Dichten als Maß für die Feuchte von der Auswerte- und/oder Recheneinheit 6 herangezogen werden kann. Neben der in 2 dargestellten Dichte kann auch eine zeitliche Ableitung der ersten und zweiten Resonanzfrequenz f1, f2 zur Ermittlung der Feuchte herangezogen werden. Hierbei ist die Auswerte- und/oder Recheneinheit 6 dazu eingerichtet, die zeitliche Ableitung der zweiten Resonanzfrequenz oder der anhand der zweiten Resonanzfrequenz ermittelten Dichte in Relation zu der zeitlichen Ableitung der ersten Resonanzfrequenz oder der anhand der ersten Resonanzfrequenz ermittelten Dichte zu setzen, und über den zeitlichen Verlauf der beiden zeitlichen Ableitungen in Relation zueinander die Feuchte zu bestimmen.
  • Der zweite Kragbalken 4 kann ferner eine Heizerstruktur 7 aufweisen, die ebenfalls mikromechanisch gefertigt wird und die auf dem zweiten Kragbalken 4 vorzugsweise zwischen der hygroskopischen Schicht 5 und einer Oberfläche des zweiten Kragbalkens 4 angeordnet ist. Die Heizerstruktur 7 ist dazu ausgebildet, die hygroskopische Schicht 5 zu erhitzen, sodass Wassermoleküle, die adsorbiert wurden, entfernt werden. Hierfür kann vorgesehen sein, dass die Auswerte- und/oder Recheneinheit 6 die Heizerstruktur 7 derartig ansteuert, dass die hygroskopische Schicht 5 durch mindestens einen Ausheizvorgang bzw -schritt S400, wie er exemplarisch in 2 dargestellt ist, ausgeheizt wird.
  • Ergänzend kann die Auswerte- und/oder Recheneinheit 6 ferner dazu eingerichtet sein, nach dem mindestens einen Ausheizvorgang S400 ggfl. auch nach mehreren Ausheizvorgängen einen Sensordrift 13 des zweiten Kragbalkens 4, bspw. in Form einer Veränderung der zweiten Resonanzfrequenz f2 in Bezug auf einen Referenzwert, festzustellen. Ein derartiger Sensordrift13 kann insbesondere dann auftreten, wenn nach dem Ausheizvorgang noch Wassermoleküle durch die hygroskopische Schicht 5 adsorbiert sind. Als Referenzwert kann bspw. ein in dem Kalibrierschritt ermittelter und in der Auswerte- und/oder Recheneinheit 6 hinterlegter Wert oder ein aus dem Messbetrieb hinterlegter historischer Wert der ersten Referenzfrequenz f1 dienen. Die Auswerte- und/oder Recheneinheit 6 kann ferner dazu eingerichtet sein, in dem Fall, dass ein Sensordrift 13 festgestellt wurde, eine Kompensation bzw. einen Abgleich des zweiten Kragbalkens 4 durchzuführen, umso einen durch den Sensordrift 13 entstandenen Offset 14 zu eliminieren.
  • 3 zeigt einen exemplarischen Verfahrensablauf zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Kragbalken zur Bestimmung der Dichte und/oder Viskosität sowie der Feuchte eines über die beiden Kragbalken geführten Gasgemisches. Das Verfahren sieht dabei die folgenden Verfahrensschritte vor:
    • - Bereitstellen einer Vorrichtung mit zwei mikromechanisch gefertigten Kragbaken S100, wovon ein Kragbalken 4 eine hygroskopische Schicht 5 zur Adsorption von Wassermolekülen aus dem Gasgemisch und der andere Kragbalken 3 vorzugsweise keine hygroskopische Schicht aufweist. Die beiden Kragbalken 3, 4 werden, wie zuvor dargelegt, mit jeweils einer Resonanzfrequenz f1, f2 zum Schwingen angeregt.
    • - Kalibrierung der Vorrichtung in einem Kalibrierschritt S200, der einem eigentlichen Messbetrieb zeitlich vorangestellt ist, mittels eines trockenen Gasgemisches 2. Die Kalibrierung kann wie zuvor dargelegt durchgeführt werden.
    • - Nach dem die beiden Kragbalken 3, 4 aufeinander kalibriert wurden, können diese in dem eigentlichen Messbetrieb S300 dem Gasgemisch zur Bestimmung der Dichte und/oder Viskosität sowie der Feuchte ausgesetzt werden. In dem Messbetrieb S300 reagiert der unbeschichtet Kragbalken 3 nur auf eine Dichteänderung des Gasgemisches, wohingegen der mit der hygroskopischen Schicht 5 beschichtet Kragbalken 4 auch auf eine Änderung der Feuchte in dem Gasgemisch sensitiv ist, d.h. darauf reagiert. Aufgrund der unterschiedlichen Sensitivität der beiden Kragbalken ändern sich auch die entsprechenden Resonanzfrequenzen f1, f2 oder die darauf basierenden Größen unterschiedlich. Diese Änderung kann wie zuvor dargelegt durch die Auswerte- und/oder Recheneinheit 6 ausgewertet und bspw. über eine entsprechende Ausgabeeinheit entsprechend ausgegeben werden. Die Auswerte- und/oder Recheneinheit 6 gibt also im Messbetrieb S300 die Dichte, die Viskosität und die Feuchte des Gasgemisches 2 aus.
    • - Ferner kann ein Ausheizschritt S400 dem Messbetrieb S300 nachgeschaltet sein oder als Teil des Messbetriebs S300 durchgeführt werden. In dem Ausheizschritt S400 wird die hygroskopische Schicht 5 des beschichtete Kragbalken 4 mittels eines Heizers 7 erhitzt, sodass die adsorbierten Wassermoleküle entfernt werden. Der Ausheizschritt S400 kann optional einen Abgleichschritt S500 umfassen, indem, nach dem ein Sensordrift 13 festgestellt wurde, die Resonanzfrequenz f2 des mit der hygroskopischen Schicht 5 beschichteten Kragbalkens 4 auf einen Referenzwert angeglichen wird. Dies kann bspw. durch die Auswerte- und/oder Recheneinheit 6 erfolgen.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Vorrichtung
    2
    Gasgem isch
    3
    Erster mikromechanisch gefertigter Kragbalken bzw. Cantilever
    4
    Zweiter mikromechanisch gefertigter Kragbalken bzw. Cantilever
    5
    hygroskopischen Schicht
    6
    Auswerte- und/oder Recheneinheit
    7
    Heizerstruktur
    8
    Ausheizvorgang
    9
    Gehäuse
    10
    Einlass
    11
    Auslass
    12
    fluidischer Messkanal
    13
    Sensordrift
    14
    Offset
    f1
    Erste Resonanzfrequenz
    f2
    Zweite Resonanzfrequenz
    S100
    Bereitstellen der Kragbalken
    S200
    Kalibrierschritt
    S300
    Messbetrieb
    S400
    Ausheiz- und ggfl. Abgleichschritt
    S500
    Abgleichschritt

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Bestimmung einer Dichte und/oder einer Viskosität sowie einer Feuchte eines Gasgemisches (2), das sich aus mindesten zwei Komponenten zusammensetzt, aufweisend: - einen ersten mikromechanisch gefertigten Kragbalken (3), der mit einer ersten Resonanzfrequenz (f1) zum Schwingen angeregt wird und der dem Gasgemisch (2) ausgesetzt ist, - einen zweiten mikromechanisch gefertigten Kragbalken (4), der zumindest teilweise mit einer hygroskopischen Schicht (5) zur Aufnahme von Wassermolekülen beschichtet ist und mit einer zweiten Resonanzfrequenz (f2) zum Schwingen angeregt wird, wobei der zweite Kragbalken (4) ebenfalls dem Gasgemisch (2) ausgesetzt ist und der erste und zweite Kragbalken (3, 4) über die erste Resonanzfrequenz (f1) oder einer darauf basierenden Größe und die zweite Resonanzfrequenz (f2) oder einer darauf basierenden Größe auf das Gasgemisch, insbesondere im trockenen Zustand, kalibriert sind, - eine Auswerte- und/oder Recheneinheit (6), die dazu eingerichtet ist, die Dichte des Gasgemisches im Wesentlichen anhand der ersten Resonanzfrequenz (f1) und/oder die Viskosität im Wesentlichen anhand der auf der ersten Resonanzfrequenz (f1) basierenden Größe, insbesondere eine Schwingungsgüte, zu bestimmen, wobei die Auswerte- und/oder Recheneinheit (6) ferner dazu eingerichtet ist, anhand der ersten Resonanzfrequenz (f1) oder der anhand der ersten Resonanzfrequenz ermittelten Dichte und der zweiten Resonanzfrequenz (f2) oder einer anhand der zweiten Resonanzfrequenz ermittelten Dichte die Feuchte zu bestimmen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Auswerte- und/oder Recheneinheit (6) ferner dazu eingerichtet ist, die erste Resonanzfrequenz (f1) oder die anhand der ersten Resonanzfrequenz ermittelte Dichte in Relation zu der zweiten Resonanzfrequenz (f2) oder die anhand der zweiten Resonanzfrequenz ermittelte Dichte zu setzen, um die Feuchte zu bestimmen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Auswerte- und/oder Recheneinheit (6) ferner dazu eingerichtet ist, anhand einer relativen zeitlichen Ableitung der zweiten Resonanzfrequenz (f2) oder der anhand der zweiten Resonanzfrequenz ermittelten Dichte bezogen auf eine zeitliche Ableitung der ersten Resonanzfrequenz (f1) oder der anhand der ersten Resonanzfrequenz ermittelten Dichte die Feuchte zu bestimmen.
  4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerte- und/oder Recheneinheit (6) ferner dazu eingerichtet ist, anhand einer Differenzbildung, in die die erste Resonanzfrequenz (f1) oder die anhand der ersten Resonanzfrequenz (f1) ermittelte Dichte und die zweite Resonanzfrequenz (f2) oder die anhand der zweiten Resonanzfrequenz (f2) ermittelte Dichte eingeht, die Feuchte zu bestimmen.
  5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die hygroskopische Schicht (5) ein Hydrogel, ein Zeolith oder ein Silikagel aufweist.
  6. Vorrichtung nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Heizerstruktur (7), die dazu eingerichtet ist, die hygroskopische Schicht (5) in mindestens einem Ausheizvorgang (8) zu erhitzen, sodass die Wassermoleküle aus der hygroskopischen Schicht (5) entfernt werden.
  7. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Auswerte- und/oder Recheneinheit (6) ferner dazu eingerichtet ist, nach Durchführung des mindestens einen Ausheizvorgangs (8) einen Sensordrift (13) des zweiten Kragbalkens (4) festzustellen.
  8. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Auswerte- und/oder Recheneinheit (6) ferner dazu eingerichtet ist, beim Feststellen des Sensordrifts (13) eine Kompensation bzw. einen Abgleich des zweiten Kragbalkens (4) durchzuführen.
  9. Vorrichtung nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Gehäuse (9) mit einem Einlass (10) zum Einführen des Gasgemisches (2) und einem Auslass (11) zum Auslassen des Gasgemisches (2), wobei der Einlass (10) und der Auslass (11) über zumindest einen fluidischen Messkanal (12) miteinander verbunden sind, und zumindest einer, vorzugsweise beide, der Kragbalken in dem zumindest einen fluidischen Messkanal, vorzugsweise nebeneinander, angeordnet sind.
  10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Kragbalken (3) keine hygroskopische Schicht, insbesondere keine Beschichtung, aufweist.
DE102018120109.5A 2018-08-17 2018-08-17 Vorrichtung zur Bestimmung einer Dichte und/oder einer Viskosität sowie einer Feuchte eines Gasgemisches Pending DE102018120109A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018120109.5A DE102018120109A1 (de) 2018-08-17 2018-08-17 Vorrichtung zur Bestimmung einer Dichte und/oder einer Viskosität sowie einer Feuchte eines Gasgemisches
PCT/EP2019/071986 WO2020035583A1 (de) 2018-08-17 2019-08-16 Vorrichtung zur bestimmung einer dichte und/oder einer viskosität sowie einer feuchte eines gasgemisches

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018120109.5A DE102018120109A1 (de) 2018-08-17 2018-08-17 Vorrichtung zur Bestimmung einer Dichte und/oder einer Viskosität sowie einer Feuchte eines Gasgemisches

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102018120109A1 true DE102018120109A1 (de) 2020-02-20

Family

ID=67660570

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102018120109.5A Pending DE102018120109A1 (de) 2018-08-17 2018-08-17 Vorrichtung zur Bestimmung einer Dichte und/oder einer Viskosität sowie einer Feuchte eines Gasgemisches

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102018120109A1 (de)
WO (1) WO2020035583A1 (de)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4312788A1 (de) * 1993-04-20 1994-10-27 Burghardt Hans Joachim Dr Feuchtesensor
WO2011138147A1 (de) * 2010-05-03 2011-11-10 Endress+Hauser Gmbh+Co.Kg Verfahren und vorrichtung zur bestimmung von strömungseigenschaften eines mediums in einer rohrleitung
US20130333467A1 (en) * 2012-06-19 2013-12-19 Waters Technologies Corporation Measuring Fluid Density
DE102015117468A1 (de) * 2015-10-14 2017-04-20 Endress+Hauser Flowtec Ag Verfahren zum Bestimmen von Eigenschaften eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches und Vorrichtung dafür
DE102015121621B4 (de) * 2015-12-11 2018-03-01 Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg Vorrichtung zur sicheren Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße
DE102016124910A1 (de) * 2016-12-20 2018-06-21 Endress+Hauser Flowtec Ag Gasanalysator und Gasanalysevorrichtung

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4312788A1 (de) * 1993-04-20 1994-10-27 Burghardt Hans Joachim Dr Feuchtesensor
WO2011138147A1 (de) * 2010-05-03 2011-11-10 Endress+Hauser Gmbh+Co.Kg Verfahren und vorrichtung zur bestimmung von strömungseigenschaften eines mediums in einer rohrleitung
US20130333467A1 (en) * 2012-06-19 2013-12-19 Waters Technologies Corporation Measuring Fluid Density
DE102015117468A1 (de) * 2015-10-14 2017-04-20 Endress+Hauser Flowtec Ag Verfahren zum Bestimmen von Eigenschaften eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches und Vorrichtung dafür
DE102015121621B4 (de) * 2015-12-11 2018-03-01 Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg Vorrichtung zur sicheren Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße
DE102016124910A1 (de) * 2016-12-20 2018-06-21 Endress+Hauser Flowtec Ag Gasanalysator und Gasanalysevorrichtung

Also Published As

Publication number Publication date
WO2020035583A1 (de) 2020-02-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AT409799B (de) Verfahren zur messung von aerosolteilchen in gasförmigen proben
AT505937A4 (de) Verfahren zur bestimmung der tatsächlichen dichte von fluiden medien
EP3045877A1 (de) Verfahren zum betreiben eines coriolis-massedurchflussmessgeräts
EP2212659B1 (de) Impedanz scannende quarzmikrowaage
DE102021202132A1 (de) Verfahren zur Bestimmung einer Detektionssensitivität eines Drehratensensors
WO2007087936A2 (de) Vorrichtung und verfahren zur detektion einer substanz in einer flüssigkeit
DE102006029039A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung von Materialbearbeitungsprozessen
CH687277A5 (de) Stimmgabelquarz-Manometer.
DE102018120109A1 (de) Vorrichtung zur Bestimmung einer Dichte und/oder einer Viskosität sowie einer Feuchte eines Gasgemisches
DE2919230A1 (de) Messverfahren und messchaltung zur kontinuierlichen feuchtemessung
EP3887770B1 (de) Thermischer strömungssensor und verfahren zum betreiben desselben
EP4060295B1 (de) Verfahren zur kompensation des einflusses der reynolds-zahl auf die messung eines coriolis-massendurchflussmessgeräts und derartiges gerät
EP1411350B1 (de) Verfahren zur Erfassung der Luftfeuchtigkeit mit kapazitivem Feuchte-Messelement
EP3124950B1 (de) Verfahren zur bestimmung der dichte von flüssigkeiten
DE102004051875A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität, Temperaturleitfähigkeit und/oder Wärmeleitfähigkeit von Werkstoffproben
EP3417290B1 (de) Testkit zur bioanalytik und verfahren zur auswertung eines solchen testkits
DE102020210844A1 (de) Vorrichtung zum Ermitteln eines Verbrauchs eines Gases aus einer zumindest teilweise mit Gas gefüllten Gasflasche
EP3133384A2 (de) Vorrichtung und verfahren zur thermo-optischen untersuchung von proben
AT523471B1 (de) Verfahren zur Viskositätskorrektur bei einer Dichtemessung
DE102021108400B3 (de) Schaltungsanordnung sowie Verfahren zur Drift-Kompensation
EP2604998A1 (de) Vorrichtung zur Gasanalyse
DE102004018506A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Messvorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße und entsprechende Messvorrichtung
DE102015225470A1 (de) Verfahren zur Detektion und Substanzdetektor
DE102017112116B4 (de) Messvorrichtung und Fehlerkompensationsverfahren zur Wägung dünner Schichten in einem Beschichtungsprozess
EP1238262A2 (de) Verfahren und einrichtung zur messung von kenngrössen einer probe

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified